與墨水分配系統定位施加效果相關的棉織物潤濕性能研究

李 冰，李大鵬，王際平

（1.浙江理工大學，a.先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室；b.生態染整技術教育部工程研究中心，杭州310018；2.馬塞諸塞州立大學達特茅斯分校，達特茅斯02747）

與墨水分配系統定位施加效果相關的棉織物潤濕性能研究

李 冰1a，李大鵬2，王際平1b

（1.浙江理工大學，a.先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室；b.生態染整技術教育部工程研究中心，杭州310018；2.馬塞諸塞州立大學達特茅斯分校，達特茅斯02747）

為了尋找適用于墨水分配系統定位加工效果的棉織物最佳潤濕范圍，對棉織物進行表面改性處理，通過潤濕時間、動態接觸角對潤濕性能進行評價，并探討動態接觸角對單位液滴擴散面積和定位涂布效果的影響。結果表明：平均前進接觸角為82.3～90°的棉織物滿足墨水分配系統的潤濕性要求，可制備得到線條清晰的網格狀鍍銅層。

潤濕性能；動態接觸角；潤濕時間；表面張力；墨水分配系統圖案清晰度

0 引 言

金屬化導電織物在電磁屏蔽、化學傳感及抗靜電防護等諸多領域具有廣闊的應用空間。目前，主要采用化學鍍［1］、涂層［2］、化學聚合［3］等方法應用于絕緣的紡織纖維基質中，使其成為金屬化織物，以賦予基材良好的電學性能。以墨水分配系統為手段，通過兩種溶液的氧化還原而使金屬單質原位沉積的方法因其工藝簡單，過程可控，制備效率高等優勢而成為了研究熱點，在導電紡織品開發領域具有較高的應用價值?；目椢餄櫇裥阅艿暮脡?，直接關系著導電織物金屬層的圖案清晰度和精細度，為亟需解決的首要問題。

本文利用不同整理劑對棉織物進行潤濕改性，分別從潤濕時間和動態接觸角兩個角度對潤濕性能展開評價，并以動態接觸角為依據，分析前進接觸角對單位液滴擴散和定位涂布效果的影響，在此基礎上確定了適宜于墨水分配系統定位施加方式的棉織物潤濕范圍，對后期適用于墨水分配法單質銅原位沉積（硫酸銅和硼氫化鈉溶液反應制備）工藝的棉織物基材選擇具有指導性作用。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及儀器

材料：經退漿、煮練后的28 tex全棉機織斜紋布（紹興富潤集團針織印染廠）；改性有機硅TF405、氨基有機硅TF437、聚乙烯乳液TF811、陽離子脂肪酰胺TF449、改性2D樹脂TF655、防水防油加工劑TG410HN（浙江傳化股份有限公司）。

主要儀器：DSA20光學接觸角測試儀、K100MK2表面張力儀（德國Krüss公司）；TS-300B桌面式三軸自動墨水分配系統（深圳市騰盛工業設備有限公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 棉織物表面潤濕改性工藝

利用去離子水分別將上述整理劑配制成質量濃度為6 g/L的整理液，并以浸軋方式整理棉織物，以獲得表面改性效果，其整理方法如下：

a）改性有機硅TF405、氨基有機硅TF437、聚乙烯乳液TF811、陽離子脂肪酰胺TF449的工藝流程：

試樣浸入整理液 →一浸一軋（軋余率80%）→預烘（80℃，5 min）→焙烘（130℃，3 min）→備用。

b）改性2D樹脂TF655的工藝流程：

試樣浸入整理液 →一浸一軋（軋余率80%）→預烘（120℃，5 min）→焙烘（170℃，3 min）→備用。

c）防水防油加工劑TG410HN的工藝流程：

試樣浸入整理液 →一浸一軋（軋余率80%）→預烘（120℃，5 min）→焙烘（170℃，3 min）→備用。

1.2.2 墨水的定位涂布工藝

取一塊經表面改性的棉織物試樣，尺寸約為10 cm×10 cm，四邊以透明膠帶粘貼，水平放置，固定于載物臺。選取直徑為0.11 mm的針頭，在速度200 mm/s，壓力20 kPa，循環次數20次的實驗參數條件下利用桌面式三軸自動墨水分配系統進行定位涂布，其中涂布尺寸為40 mm×40 mm，涂布相鄰線條間距為5 mm。

1.3 測試與表征

1.3.1 潤濕時間測試

采用德國Krüss公司DSA20光學接觸角測試儀。將試樣平放于測試臺上，在其上方垂直滴加1滴水（3μL），用攝像模式記錄水滴從接觸織物直至完全吸收所需的時間（ms），并且規定織物在2 min內仍無法潤濕，則親水性較差，此時以接觸角表示潤濕性能。

1.3.2 動態接觸角測試

采用德國Krüss公司K100MK2表面張力儀。將試樣剪成20 mm×10 mm矩形條帶，用樣品夾將試樣垂直固定在儀器上，短邊與水平面平行，下方載物臺放置一盛有去離子水的玻璃杯，采用Advancing Contact Angle Measurement功能進行測試，通過儀器自動記錄織物的動態接觸角。儀器移動速度為5 mm/min，試樣浸入液面的深度為5 mm。

1.3.3 潤濕面積測試

將試樣剪成10 cm×5 cm的矩形布條，在試樣中心位置滴加3μL的液滴，待液體完全擴散后，采集圖片，用圖片處理軟件Photoshop讀取矩形試樣的像素值M和液體浸潤部分的像素值P，液體擴散面積S即可表示為S=50 P/M。

2 結果與討論

2.1 棉織物經整理改性后的潤濕性能

潤濕是液體在織物表面擴散，以液-固界面取代氣-固界面的一個過程，液體與織物間的相互作用，宏觀即表現為了織物的潤濕現象［4］?？椢锏臐櫇裥阅芘c纖維形態、織物組織結構和有無表面改性等因素有關，在本實驗中，經不同整理劑處理的織物所采用的纖維形態和組織結構均相同，所以在此僅探討整理劑處理后的表面改性對棉織物潤濕性能的影響。在動態接觸角的測試中，由于棉織物的多孔性結構，在后退過程中存在著對水的部分吸收，后退接觸角波動較大，測試不穩定，因此以潤濕時間和前進接觸角為主要分析對象［5］，從宏觀和微觀兩個角度對棉織物試樣進行潤濕性測試，表1和圖1分別為空白樣及經不同整理劑處理后的試樣潤濕時間和前進接觸角測試結果。

表1 不同整理劑處理對試樣潤濕性能的影響

圖1 不同整理劑處理對織物前進接觸角的影響

由表1可知，空白樣以及改性有機硅TF405和改性2D樹脂TF655整理后的試樣潤濕時間較短，其次為經聚乙烯乳液TF811和陽離子脂肪酰胺TF449整理后的試樣，而氨基有機硅TF437和防水防油加工劑TG410HN整理后的試樣，液滴在2 min內不消失，表現出較強的拒水特性，靜態接觸角分別達到133.90°和140.30°。在微觀角度的動態接觸角測試結果中，也得到了與之相吻合的角度變化趨勢。這是因為液滴與織物表面相接觸時，固體分子和液體分子間可產生附著力，同時織物自身表面各部分之間也存在著被稱為內聚力的相互吸引力。作為改性有機硅TF405和改性2D樹脂TF655，其分子結構中含有的親水性極性基團可導致附著力遠遠大于織物表面內聚力，潤濕性能優良；陽離子脂肪酰胺TF449和天然蠟乳液TF811分子結構中烷基的存在則對織物表面內聚力有一定增加作用，潤濕性能有所降低；而氨基有機硅TF437和三防整理劑TG410HN中，拒水性基團的定向排列反而導致內聚力大于附著力，故液體無法潤濕。

由于液滴在部分試樣上停留2 min仍未消失，無法以潤濕時間這一指標精確衡量各試樣潤濕性能好壞，并且根據不同整理劑表面改性前后的潤濕性測試結果，前進接觸角與潤濕時間具有變化趨勢的一致性，故以下以前進接觸角為依據，研究其與適用于墨水分配系統定位加工需要的棉織物潤濕性能間的關系。

2.2 與墨水分配系統定位施加效果相關的棉織物潤濕性能分析

2.2.1 液滴的擴散性能分析

單位液滴的大小決定墨水分配在織物上的一個初始形態，依據墨水分配系統的針頭直徑規格，施加3μL的液滴于試樣表面，至液滴擴散完全后計算鋪展面積。表2為試樣上的液滴擴散情況，圖2為前進接觸角對單位液滴鋪展面積的影響。

表2 試樣上的液滴鋪展情況

結合表2和圖2可以看出，織物前進接觸角和擴散面積存在著一定的關聯性，當平均前進接觸角從67.95°增加到115.36°，液滴的最終擴散面積從0.7 cm2下降到0.03 cm2，擴散面積下降顯著。這是因為液滴在織物的擴散，大致可分為三個步驟［6］：①液體在織物表面的潤濕過程；②液體在織物表面及內部的擴散過程；③液體在織物中擴散平衡后的保持穩定過程。當液滴達到平衡時，根據楊氏方程，固-氣界面張力γsg、液-氣界面張力γlg、固-液界面張力γsl與接觸角θ間存在著一定的關系，即接觸角較小的情況下表現出潤濕，而隨著角度的增加，潤濕性能減弱，如圖3所示。

圖2 前進接觸角（潤濕時間）對單位液滴擴散面積的影響

對于1～3號試樣，首先棉纖維作為一種天然纖維，其纖維素大分子結構中存在著許多羥基等極性基團，與水分子有很大的親和力，能與水分子形成化學結合水，本身具有良好的潤濕能力；同時織物經漂白、煮練等前處理后，漿料、果膠質和棉蠟等雜質的去除也有利于潤濕性能的提高；其次聚醚改性有機硅TF405和改性2D樹脂TF655的分子結構中含有較強親水性基團聚醚基和羥基，浸軋處理使整理劑與纖維上的羥基發生作用，親水性側鏈成團聚狀并伸向空氣中，定向排列形成了親水性的高分子薄膜，對主鏈的疏水性特質起到了抑制作用，液滴可在試樣表面迅速擴散，在平均前進接觸角為70°左右的同時，擴散面積大于0.5 cm2。

對于平均前進接觸角為80.77°和82.34°的試樣，由于其分別經陽離子脂肪酰胺TF449和天然蠟乳液TF811整理改性，整理劑本身的大分子結構中無親水性基團的存在，在整理劑與棉纖維的結合過程中，烷基鍵指向外側，降低了織物的表面能，在平均前進接觸角提到80～83°時，擴散面積減小至0.2～0.5 cm2的范圍內。

對于6號試樣而言，氨基有機硅TF437的氨基官能團在聚硅氧烷骨架上，由于氨基的極性，整理劑與纖維的羥基、羧基相互作用，產生了牢固的取向性和吸附性，氨基有機硅在纖維表面的定向排列過程中，Si-CH3鍵指向空氣，Si-O鍵指向纖維，由于Si-CH3鍵的疏水特性，平均前進接觸角達100.24°，擴散面積減小為0.044 cm2；三防整理劑TG410HN為一種有機氟類樹脂，烷基上的氫被氟所取代，含氟烷基定向地排列在織物最外層，由于C-F鍵的極化率很小，鍵距短，分子間的凝聚力很小，其最大限度地降低了纖維的表面能，導致平均接觸角達115.36°。正如表2所見，6、7號試樣的液滴始終停留在織物表面，無任何擴散現象產生。

圖3 不同表面張力下的液滴潤濕示意圖

2.2.2 定位涂布條件下的擴散性能分析

定位涂布是后續實驗中以墨水分配系統制備鍍銅層的一個重要手段。作為基材的織物需達到一個適當的潤濕性能，以防止液體的過度滲化或過量聚集，表3和圖4分別為區域涂布下的液體擴散情況和平均前進接觸角對線條平均擴散寬度的影響。

表3 定位涂布下的液體鋪展情況

從圖4可以看出，對于1～5號試樣，隨著平均動態接觸角的增加，線條平均寬度從1.39 mm減小到0.99 mm，但伴隨著平均動態接觸角的繼續增加，線條平均寬度反而有一定程度的增加。從表3中也可以看出，平均動態接觸角從67.95°增加到82.33°過程中，區域涂布的網格滲化程度降低，清晰度提高，但隨著平均動態接觸角在100.24°以上，液體停留在織物表面，反而對網格清晰度產生影響。這種溶液在織物表面的滲化或聚集現象，主要與整理前后織物的表面自由能有密切關系。當液滴以區域涂布的方式施加到織物表面時，對于1～5號試樣，試樣的平均前進接觸角較低，臨界表面張力大于液體本身的表面張力，液體被試樣表面吸收，迅速作平面狀鋪展，伴隨著織物毛細管效應的作用，溶液沿著織物纖維間的毛細管向周圍發生不同程度的滲透，擴大了有效潤濕面積，導致了試樣的滲化現象［7］，若在液體量充足的條件下，試樣表面可形成薄且均勻的液膜；而對于6、7號試樣，由于試樣經拒水整理劑處理，臨界表面張力小于液體的表面張力，液滴在試樣表面呈現出球狀，無法在織物表面滲透和擴展，大大減少了液體滲入毛細管產生毛細效應的機會［8］，最終導致其停留在織物表面，無法潤濕織物，有效潤濕面積大大減小，也同樣影響了網格的清晰度。如圖5所示。

圖4 平均動態接觸角（潤濕時間）對線條平均擴散寬度的影響

圖5 區域涂布的液體擴散示意

對于平均動態接觸角為82.33°的試樣，能達到一個較好的網格清晰度和較合理的液體滲透性。究其原因，在平均接觸角為82.33°的條件下，天然蠟乳液的大分子結構中含有烷基鍵，如圖6所示。天然蠟乳液分子定向排列在試樣表面并指向于空氣中，降低了織物的表面張力，對液滴的吸收能力減弱；同時，烷基鍵的定向排列也在一定程度上阻止了由毛細管效應而引起的液體向周圍的大量擴散，大部分液體緩慢地發生由外及內的滲透，并且在原位發生了反應，生成了較為清晰的網格狀鍍銅層，線條平均擴散寬度在0.98 mm左右。結合上述平均動態接觸角為82.3°時的液滴擴散面積和區域涂布效果，并兼顧試樣動態接觸角在90°以上時表現拒水性，最終優選出適用于墨水分配系統的棉織物動態接觸角在82.3～90°之間較為適宜，此時制備所得的鍍銅層較為清晰，滿足墨水分配系統定位施加對棉織物潤濕性能的要求。

圖6 天然蠟乳液的大分子結構式

3 結 論

通過對棉織物進行整理劑表面潤濕改性以及改性前后的液滴擴散和定位涂布開展分析，結果表明，以單位液滴擴散面積和區域涂布效果為考評指標，適用于墨水分配系統的棉織物平均動態接觸角在82.3～90°間為佳，此時的液滴擴散面積和線條平均寬度分別在0.2 cm2和0.99 mm以下，可得到脈絡清晰的網格狀鍍銅層。

［1］徐文龍，熊 杰，徐 勤，等.化學鍍銀滌綸織物的制備及其性能［J］.紡織學報，2011，32（9）：42-46.

［2］王進美，朱長純，李 毅，等.納米管狀聚苯胺織物涂層與導電及微波屏蔽性能［J］.紡織學報，2005，26（4）：10-13.

［3］周兆懿，趙亞萍，蔡再生.原位聚合法制備滌綸/聚苯胺復合導電織物［J］.印染，2009，35（5）：1-5.

［4］徐衛林.紡織材料集合體潤濕性和浸透性的研究［J］.化纖與紡織，1996（3）：11-13.

［5］Tran L Q N，Fuentes C A，Dupont-Gillain C，et al. Wetting analysis and surface characterisation of coir fibres used as reinforcement for composites［J］.Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Fngineering Aspects，2011，377（1）：251-260.

［6］劉麗英，劉 敏.液態水在織物中傳遞機理探討［J］.青島大學學報：工程技術版，2001，16（1）：36-38.

［7］陳天文，李秀艷，傅吉全.織物的透濕性及液態水傳遞研究［J］.北京服裝學院學報，2005，25（1）：26-30.

［8］劉麗英，張渭源.表面改性對織物濕傳遞性能影響［J］.東華大學學報：自然科學版，2002，28（1）：87-90.

Research on the WettabiIity of Cotton Fabric ReIated to Positioning Processing Effects with Ink Distribution System

LI Bing1a，LI Da-peng2，WANG Ji-ping1b
（1.Zhejiang Sci-Tech University，a.Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology，Ministry of Fducation；b.Fngineering Research Center for Fco-Dyeing& Finishing of Textiles，Ministry of Fducation，Hangzhou 310018，China；2.University of Massachusetts，UMASS Dartmouth，North Dartmouth 02747，USA）

In order to find out the optimum wetting range of cotton fabrics applicable to positioning processing effects with ink distribution system，surface modification treatment was conducted for cotton fabrics.The wettability was evaluated through wetting time and dynamic contact angle.Besides，theinfluences of dynamic contact angle on unit drop dynamic contact angle and positioning coating effects were discussed.The results show that：the cotton fabrics with average 82.3～90°advancing contact angle can meet wettability requirement of ink distribution system.Thus，latticed copper plate with clear lines can be made.

wetting property；dynamic contact angle；wetting time；surface tension；pattern definition of ink distribution system

TS101.92

A

（責任編輯：許惠兒）

1673-3851（2014）04-0378-05

2013-10-11

李 冰（1989-），男，浙江諸暨人，碩士研究生，主要從事紡織品表面化學基礎應用研究。

王際平，F-mail：jipingwanghz@gmail.com